Что такое гликоль? Как он используется в чиллере?

Анализ энергосистемы

Гликоль — смешивающаяся с водой охлаждающая жидкость, которая часто используется в системах теплопередачи и охлаждения. Она обеспечивает лучшие параметры теплопередачи, чем вода, и может смешиваться с водой для обеспечения различных характеристик теплопередачи. Гликоль выпускается в двух вариантах: этиленгликоле и пропиленгликоле. Хотя оба материала опасны для живых существ, пропиленгликоль чаще всего используется вблизи продуктов питания, а этиленгликоль чаще всего используется в промышленных применениях.

Низкие точки замерзания гликолевых смесей делают их идеальными для охлаждения предметов ниже точки замерзания воды. Таким образом, смеси гликоля / воды часто используются для охлаждения морозильников и аналогичных сред. Обслуживание холодильных машин включает постоянный контроль концентрации гликоля в системе.

Чтобы понять цель гликоля, вы должны сначала понять, как работает чиллер. Чиллер состоит из двух ключевых частей: холодильной установки, которая использует электрическую энергию для производства холодной жидкости, и теплообменных катушек, которые перемещают холодную жидкость из холодильного агрегата в целевую зону и горячую жидкость из целевой зоны в холодильную установку. Как правило, целевой областью является внутренняя часть морозильника или какой-либо другой объект, который вы хотите охладить. Холодильная установка часто состоит из компрессора с некоторым сжимаемым теплоносителем, таким как фреон.

Каждый чиллер имеет диапазон рабочих температур. Этот температурный диапазон определяется несколькими переменными, наиболее важными из которых являются точка кипения и точка замерзания теплоносителя. Гликоль ценится как теплоноситель, потому что он может работать в широком диапазоне температур и может смешиваться с водой. Точки кипения и замерзания гликолевых смесей зависят от относительных количеств гликоля и воды в смеси.

Чистая вода замерзает при 0 градусах Цельсия, а чистый этиленгликоль замерзает при -12,9 C. Между ними точки замерзания являются нелинейными. Например, раствор 10% -ного этиленгликоля замерзает при температуре -3,4 C, 30% этиленгликоля замерзает при -13,7 , и 60% этиленгликоля замерзает при -52,8 C. Точка замерзания смеси этиленгликоля и воды 60/40 значительно ниже, чем у чистого этиленгликоля или чистой воды. Смеси пропиленгликоля с водой следуют аналогичной схеме с 60/40 смесью пропиленгликоля с водой, имеющей точку замерзания -48 С.

Гликоль полезен, даже если вы не хотите охлаждать предмет ниже температуры замерзания воды. Скорость теплопередачи пропорциональна разнице между температурой охлаждающей жидкости и температурой охлаждаемого элемента. Тепловая мощность хладагента, которая является химической характеристикой материала, также важна, но мы отложим ее на время. Смесь этиленгликоль / вода 60/40, охлажденная до -40 С, может охлаждать изделие при 20 С намного быстрее и эффективнее, чем чистая вода при 10 С. Хотя этиленгликоль имеет более низкую теплоемкость, чем вода (каждый килограмм гликоля легче чтобы нагреться, чем килограмм воды), большая разница температур позволяет смеси гликоля переносить тепло намного быстрее, чем чистая вода.

Низкие температуры, связанные с гликолевыми смесями, делают их полезными для применений, когда чиллер должен охлаждать большое количество тепла. Тепло является побочным продуктом многих химических реакций; способность гликоля быстро переносить тепло делает его полезным для поддержания температуры химических реакций. По этой причине смеси пропиленгликоля / воды часто используются для охлаждения ферментеров в пивоварнях.

Гликоль является важным теплоносителем в промышленных применениях. В дополнение к отличным параметрам теплопередачи этиленгликоль имеет тенденцию препятствовать росту водорослей в оборудовании для теплопередачи.

Гликоль для охлаждения чиллера

Для осуществления задач охлаждения воздуха в чиллерах в качестве теплоносителя используется несколько видов жидкостей. Это может быть вода, пропиленгликоль, этиленгликоль, а также различные современные, незамерзающие при низких температурах, жидкости, например – экосол.

Чаще всего для этих целей используется вода. Однако ее применение невозможно в случаях, когда температура воздуха достигает низких температурных значений (если речь идет о чиллерх, установленных на открытом воздухе). Однако и в теплых помещениях использование воды может быть небезопасно. Температура жидкости (воды) на выходе из испарителя ниже +5°C приводит к отключению компрессоров чиллера и срабатыванию защиты от обмерзания испарителя, и если автоматика или обслуживающий персонал упустят этот момент, размораживание чиллера неизбежно. А это, в свою очередь, может привести к выходу из строя всей установки.

Применение незамерзающих жидкостей исключает возникновение таких аварийных ситуаций и, в некоторой степени, даже упрощает обслуживание самого чиллера. По эффективности охлаждения или нагрева, такие незамерзающие жидкости уступают воде, но это не всегда является основанием для замены воды на такие жидкости. Рассмотрим подробнее две основные, которые применяются в кондиционировании.

На фото: Таблица. Гликоль для охлаждения чиллера.

Этиленгликоль

В чистом виде этиленгликоль токсичен, горюч и даже взрывоопасен. При утечке он оказывает на организм человека разрушающее воздействие. Это ядовитое вещество, которое обладает в некоторой степени наркотическими свойствами и даже при попадании на кожу проникает внутрь. Этиленгликоль с концентрацией 50% замерзает при температуре -38 °C. Сочетание температурных характеристик и его токсичности не позволяют применять это вещество только в пищевой промышленности. Однако в других направлениях может применяться.

При растворении в воде этиленгликоль резко меняет свои свойства. Раствор этиленгликоля малотоксичен и в качестве теплоносителя активно применяется в чиллерах в административных, общественных и жилых помещениях. По своим механическим и физическим свойствам раствор этиленгликоля обладает хорошей теплопроводностью. Его срок эксплуатации достигает 9-11 лет. Часто по своим техническим и экономическим свойствам этиленгликоль предпочтительнее пропиленгликоля.

Пропиленгликоль

Это вещество менее токсично чем этиленгликоль, особенно в растворе с водой. Именно поэтому он чаще применяется в чиллерах в качестве теплоносителя. Он меньше подвергает коррозии металлы, коэффициент расширения и температура замерзания у него намного ниже, чем у этиленгликоля. Он имеет хорошие смазочные характеристики, что позволяет автоматически смазывать все поверхности, которые с ним контактируют. Более частое его применение в чиллерах для систем кондиционирования обусловлено тем, что в случае утечки или аварии, контакт или размещение его рядом с человеком полностью безопасно. Мало того, если пропиленгликоль попадет в пищу в количестве 0,2-0,3%, он не оказывает на вкусовые характеристики никакого влияния и не чувствуется человеком. Считается, что при переводе системы охлаждения на пропиленгликоль необходимо только прочистить систему от загрязнения и заменить теплообменник, что экономически вполне обоснованно.

Современные требования к безопасности, экономичности и эффективности заставляют разрабатывать новые современные теплоносители. Один их таких теплоносителей маркируется как «Экосол» с различными температурами кристаллизации. В нем воплощены все лучшие характеристики и свойства предыдущих теплоносителей, но самое главное его преимущество – это полная экологическая безопасность как для окружающей среды, так и для человека.

Классификация и свойства хладагентов в системах кондиционирования и вентиляции

Холодильный агент (хладагент)—используемая в холодильной системе рабочая среда, которая поглощает теплоту при малых значениях температуры и давления и выделяет теплоту при более высоких температуре и давлении. Этот процесс сопровождается изменением агрегатного состояния рабочей среды. (ГОСТ Р 12.2.142—99).

Способность переходить из жидкого состояния в газообразное – это свойство всех веществ, но только некоторые из них подходят для использования в качестве хладагентов.

С развитием техники в качестве хладагентов использовались все новые и новые вещества: аммиак (NH₃) – с 1874 года, диоксид серы (SO₂) – с 1874 года, метилхлорид (C₂H₅Cl) – с 1878 года, углекислота (CO₂) – с 1881 года. Эти хладагенты называют «классическими». Аммиак используется и в наши дни, в последнее время вновь набирает популярность применение в качестве хладагента углекислоты.

Для получения более низких температур (-110°C) были задействованы новые виды хладагентов: метан (CH₄), этилен (C₂H₄), этан (C₂H₆), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀) и пропилен (C₃H₆). К недостаткам этих веществ относят то, что они огнеопасны и при взаимодействии с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Кроме того, из-за малой молекулярной массы, оборудование для их применения в качестве хладагентов должно иметь большую массу и крупные габариты.

В конце тридцатых годов прошлого века путем галогенизации насыщенных углеводородов хлором и фтором были синтезированы производные продукты, названные фреоны или хлорфтороуглероды, которые удовлетворяли техническим требованиям для применения в холодильных системах. Основой для получения хлорофтороуглеродов могут быть все насыщенные углеводороды (C_mH_xF_yCl_z, 2m+2=n+x+y+z). Формула для определения количества возможных основных соединений выглядит так: (n+1)(n+2)/2. Например, метан создает 15 соединений, этан вместе с изомерами – 55, пропан – 332, а бутан – 1000.

Существуют следующие критерии выбора соединений для создания хладагента: большое количество атомов фтора (такие соединения менее токсичны и проявляют слабую химическую активность по отношению к металлам); малое количество атомов водорода (чем оно меньше, тем ниже воспламеняемость).

Далеко не все соединения галогенов и углерода (без водорода) горючи, но при взаимодействии с воздухом они образуют ядовитый газ фосген.

Ранее во многих холодильных системах использовался только хладагент ХФУ R12. В 1974 году учеными было установлено, что хлорфторуглероды разрушают озоновый слой Земли. Их использование было запрещено и им потребовалось найти замену.

Различают следующие типы хладагентов:

1. Предельные углеводороды и их галогенные производные

Они обозначаются буквой R с тремя цифрами после нее, т. е. R c d u, где:

• с (сотни)—число атомов углерода, уменьшенное на единицу;
• d (десятки)—число атомов водорода, увеличенное на единицу;
• u (единицы)—число атомов фтора.
  В химической формуле соединения сумма атомов водорода, фтора и хлора равна 4 для производных метана, 6—для производных этана, 8—для производных пропана и т.д.

2. Непредельные углеводороды и их галогенные производные

Способ цифрового обозначения тот же самый, что и в предыдущем случае, но слева после буквы добавляется 1 для обозначения тысяч.

3. Циклические углеводороды и их производные

Для хладагентов на основе циклических углеводородов и их производных после буквы R перед цифровым индексом вставляется буква С (например, RC318).

4. Органические соединения

Им присвоена серия 600, а номер каждого хладагента внутри этой серии назначается произвольно (например R600 – бутан).

5. Неорганические соединения

Им присвоена серия 700, а идентификационный номер хладагентов, принадлежащих к этой серии, определяется как сумма числа 700 и молекулярной массы каждого хладагента. Например, для аммиака, химическая формула которого NH3, имеем lxl4(N)+3xl(H₃)+700= =717, таким образом, он обозначается как R717. К данной группе относятся также вода (R718), углекислота (R744) и другие вещества.

6. Неазеотропные смеси

Неазеатропные смеси – вещества, жидкая и газовая фаза которых в состоянии термодинамического равновесия имеют разный состав. Иными словами, при одном и том же давлении кипения, температура кипения имеет разные значения. Этим хладагентам присвоена серия 400 с произвольным номером для каждого хладагента внутри этой серии.

7. Азеотропные смеси

В отличие от неазеотропных, состав газовой и жидкой фаз этих веществ одинаков, то есть они ведут себя как моновещество. Им присвоена серия 500 с произвольным номером каждого хладагента внутри серии.

Согласно ГОСТ Р 12.2.142—99 «Системы холодильные холодопроизводительностью свыше 3 кВт», хладагенты разделяются на следующие группы: невоспламеняющиеся нетоксичные холодильные агенты; токсичные и вызывающие коррозию холодильные агенты, нижний предел воспламенения которых (или нижняя граница взрыва) составляет более 3,5% по объему в смеси с воздухом; холодильные агенты, нижний предел воспламенения которых (нижняя граница взрыва) ниже 3,5% по объему в смеси с воздухом.

В данном курсе будут рассматриваться особенности монтажа оборудования, работающего на фреонах (хладагенты группы 1).

Хлорфторуглероды (ХФУ, CFC)

Вещества с высоким озоноразрушающим потенциалом (ОРП) запрещены к использованию Монреальским протоколом (международное соглашение о защите озонового слоя Земли). Производство ХФУ (например, R11, R12 и R114) на территории стран Европейского сообщества прекращено.

Гидрохлорфторуглероды (ГХФУ или HCFC)

Имеют невысокую озоноразрушающую способность и классифицируются Монреальским протоколом как переходные вещества. Их использование должно существенно сократиться в начале XXI века. Примером таких хладагентов являются R22, R123 и R124.

Гидрофторуглероды (ГФУ или HFC)

Вещества не содержат хлора, следовательно, имеют нулевой ОРП и не попадают под действие Монреальского протокола. К ним относятся хладагенты R125, R134a и R152a. Хладагент R134a может быть непосредственно использован вместо R12 при минимальной модернизации установки.

Критерии выбора хладагента

Физические свойства

Давление кипения

Давление кипения (абсолютное) должно составлять, по меньшей мере, 1 бар, абс..
При таком давлении воздух и вода не проникают в систему в случае небольших протечек или при использовании в системах сальниковых компрессоров.

Давление конденсации

Давление конденсации должно быть минимальным, чтобы не усложнять конструкцию системы и сократить потребление энергии. Рабочее давление в системе зависит от типа хладагента и конденсатора.

Разность давлений

Размер двигателя компрессора зависит от разности давлений p_c—p_o. Она должна быть как можно меньше.

Степень сжатия

Степень сжатия должна быть как можно меньше. С ростом степени сжатия pc/po снижается коэффициент подачи компрессора λ и, следовательно, его производительность. Поэтому следует использовать хладагент с плоской кривой упругости пара.

Температура в конце сжатия

Учитывая, что смазочные материалы сохраняют стабильность в ограниченном диапазоне температур, температура в конце сжатия должна быть как можно ниже. Температура зависит от хладагента, степени перегрева всасываемого пара, а также от давления конденсации в системе и компрессоре.

Критическая температура внешней стенки трубопровода составляет от 120 до 140 °C.

Поэтому решающим фактором является температура пластин клапана на компрессоре, которая составляет около 160 °C. При более высокой температуре масло начинает коксоваться.

Коэффициент растворимости в воде

Присутствие воды в системе охлаждения нежелательно. Чем выше коэффициент растворимости хладагента в воде, тем больше влаги он может поглотить, предохраняя тем самым систему от поломок.

Учитывая способность сложноэфирных синтетических масел и полиалкиленгликолевых масел поглощать воду в большом количестве, уровень влажности в системе необходимо контролировать. Поставляемые хладагенты содержат остаточную влагу в количестве, не превышающем 20 промилле.

Удельная теплота парообразования и плотность газа на всасывании

Чтобы сделать вывод об охлаждающих свойствах определенного хладагента, необходимо учитывать эти две переменные. Чем большей удельной теплотой парообразования обладает хладагент, тем меньший рабочий объём цилиндров компрессора потребуется для достижения той же самой холодопроизводительности. Чтобы компрессор доставлял максимальное количество хладагента за один ход поршня, хладагент при входе в компрессор должен обладать максимально возможной плотностью.

Смешиваемость с маслами

Для нормальной циркуляции масла в охлаждающих системах необходима стопроцентная смешиваемость жидкого хладагента с маслом. При полной нерастворимости масла в хладагенте, как, например, в случае с аммиаком, применяют масла со специфическими свойствами или холодильные системы специальной конструкции.

Если пропорция масла и хладагента находится в «промежутке несмешиваемости», могут возникнуть сбои в работе системы охлаждения, связанные с доставкой масла. Кривая промежутка несмешиваемости зависит от типа хладагента и смазочного масла.

Химические свойства

Химическая активность хладагента по отношению к смазочным и другим видам материалов недопустима при любых условиях работы системы. Сами хладагенты обладают средней химической активностью. Этот факт следует принимать в расчет при смешивании хладагента и масла.

Физиологические свойства

Хладагент должен иметь высокую физиологическую совместимость (нетоксичность). Для R 134a максимально допустимая концентрация (предельное значение) составляет 1000 промилле. Вдыхание его паров при малой концентрации в течение 8 часов не оказывает вредного воздействия на организм человека. Высокое содержание хладагента в воздухе может привести к удушью, т.к. снижается доля кислорода (особенно у пола, так как R 134a, как и другие фреоны, тяжелее воздуха). Могут появиться головная боль, тошнота, потеря сознания.

Под воздействием открытого огня, ультрафиолета, при контакте с горячими или раскаленными металлическими поверхностями, хладагент распадается; продукты распада хладагента ядовиты.

Соответствие требованиям по охране окружающей среды

Использование, производство и утилизация хладагентов не должны оказывать отрицательного влияния на окружающую среду.

Озоноразрушающий потенциал (ОРП, ODP)

За последние несколько десятилетий естественная концентрация озона в стратосфере планеты снизилась, и слой, защищающий от вредного излучения Солнца, истончился. Причиной этого стали галогены (хлор, фтор и бром), которые выделяются из хлорфторуглеродов под воздействием ультрафиолета.

На международной конференции в Монреале в 1987 году был подписан Монреальский протокол, согласно которому страны-участники договорились к концу 1995 года свернуть производство веществ, разрушающих озоновый слой.

Поскольку некоторые хлорфторуглероды достигают высоты озонового слоя в течение 15-20 лет, истощение озонового слоя продолжится в ближайшем будущем.

Наиболее сильное истощение озонового слоя (более 50%) наблюдается в районе полюсов земли. Над Антарктикой можно наблюдать так называемую озоновую дыру в период с сентября по ноябрь, во время антарктической весны. В северном полушарии истощение проявляется зимой и весной. В период с 1968 по 1992 снижение уровня концентрации озона над Европой достигало в среднем трех процентов за 10 лет. В последние несколько лет этот показатель поднимался до 5 процентов. Увеличение интенсивности солнечной радиации повлечет за собой рост случаев заболевания раком кожи и катарактой.

ОРП хладагентов с самой высокой озоноразрушающей способностью, таких как R11 и R12, равен 1,0 (100%). ОРП других хладагентов оценивается в сравнении с ОРП R11.

Потенциал глобального потепления (ПГП, GWP)

Жизнь на Земле зависит от солнечной энергии. Однако большая ее часть отражается или отдается в космическое пространство в ходе испарения. Естественные парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ, препятствуют отражению тепловой энергии и сохраняют ее в атмосфере Земли. Такой эффект можно сравнить с функцией стеклянного покрытия в парнике. При отсутствии парниковых газов средняя температура на поверхности Земли составляла бы не 18°C, а -15°C. Парниковый эффект, благотворный по своей сути, усиливается с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере (CO₂, пары хладагентов, метан, используемый в сельском хозяйстве). С наступлением эпохи индустриализации содержание углекислого газа в атмосфере неуклонно растет.

Усиление парникового эффекта стало причиной повышения средней температуры на Земле на 1-1,5 К. Глобальное потепление со временем приведет к повышению уровня мирового океана, изменению климата и погодным аномалиям.

Потенциал глобального потепления хладагентов определяется в ПГП (единица для диоксида углерода с временным горизонтом 100 лет) или H-GWP (единица для хладагента R11 с временным горизонтом 100 лет).

ПГП R12 равен 8500, R 134a – 1300.

Величина потенциала глобального потепления определяется путем моделирования реакций, происходящих в атмосфере, поэтому ее значения являются приблизительными.

Суммарный эквивалент теплового воздействия (TEWI)

Величина суммарного эффекта теплового воздействия (прямого и косвенного) определяется не только тепловым воздействием хладагента, но и системы, в которой он используется. Также принимается в расчет тепловое воздействие, вызванное энергетическими потребностями холодильной установки, высвобождением хладагентов во время утилизации и утечек. Различают прямой парниковый эффект, вызванный хладагентами (протечки, утечки при ремонте и утилизации) и косвенный парниковый эффект (выделение CO₂ при выработке электроэнергии). Недостатком при определении суммарного эффекта теплового воздействия является игнорирование теплового воздействия при производстве каждого отдельного хладагента.

Каждый производитель хладагентов выпускает продукцию под собственным наименованием, например:

• Du Pont de Nemour имеет торговую марку Фреон (Freon) или Сува (Suva);
• Elf Atochem—торговую марку Форан (Fo-ran);
• Solvay—торговую марку Кальтрон (Kal-tron);
• Montedison—торговую марку Альгофрен (Algofrene);
• ICI—торговую марку Клеа (Klea);
• Daikin Kogyo—торговую марку Дайфлон (Daiflon) и т.д.
  Поэтому один и тот же хладагент может обозначаться по-разному, однако цифровой код остается постоянным вне зависимости от компании-производителя.

Для перевозки и хранения хладагентов используется сосуды следующих типоразмеров: